탄소섬유(Carbon Fiber)를 활용한 복합소재 시장이 급성장하면서 일본 화학기업들이 연구개발(R&D)을 적극화하고 있다.
특히, 테이진(Teijin)은 항공기용 탄소섬유 사업에서 중간소재 공급을 확대하고 있고, 도레이(Toray)는 자동차용을 중심으로 사업영역을 확대하고 있다.
2018년부터 모든 탄소섬유 공장이 풀가동체제에 돌입했고 글로벌 수요가 항공기를 중심으로 연평균 10% 수준 증가할 것으로 예상되고 있다.
국내에서는 효성이 탄소섬유 생산 확대를 추진하고 있는 가운데 일본이 반도체·디스플레이용 화학소재에 이어 자동차용 탄소섬유 및 복합소재에 대해서도 수출규제에 나설 가능성이 커 국산화 노력을 강화할 필요성이 대두되고 있다.
탄소섬유는 철에 비해 무게는 25%에 불과하지만 강도는 10배 이상 강한 섬유로 항공우주용이 주류를 이루었으나 최근에는 풍력 블레이드, 자동차 등으로 용도가 확대되고 있다.

2030년 PAN계 시장 2.6배 확대
PAN(Polyacrylonitrile)계 탄소섬유 복합소재인 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 및 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic) 시장이 성장을 가속화하고 있다.
후지경제(Fuji Keizai)에 따르면, 주로 항공기, 자동차용으로 투입되고 있는 PAN계 CFRP·CFRTP는 2030년 글로벌 시장규모가 3조5800억엔(약 321억4000만달러)으로 2017년에 비해 2.6배 확대될 것으로 예상된다.
특히, 열경화성 수지를 탄소섬유에 함침·경화시킨 CFRP 수요가 3조2018억엔(약 287억4400만달러)으로 대부분을 차지할 것으로 파악되고 있다.
그러나 탄소섬유는 2025년부터 자동차 골격·구조부품에 대한 채용이 증가함에 따라 매트릭스로 열가소성 수지를 사용하는 CFRTP용 비율이 약 5%에서 12%로 상승할 것으로 예측되고 있다.
자동차는 자율주행 기술 개발에 따라 CFRP·CFRTP 채용이 지연되고 있으나 2025년 무렵에는 CFRP·CFRTP 이용기술 향상 등의 영향으로 양산모델에 대한 채용이 확대될 것이 확실시되고 있다.
전동자동차가 보급됨과 동시에 준고급 승용차도 연비 향상을 위한 채용이 늘어나면서 플랫폼 공통화에 따라 수요가 급속도로 증가할 가능성이 제기되고 있다.
유럽 자동차기업들이 개발·채용을 선행하고 있으며 중국도 정부의 정책적 지원, 전동자동차 보급에 따른 경량화 요구 확대로 자동차용 수요가 늘어날 것으로 예측되고 있다.
수소탱크 등 압력용기용은 연료전지자동차(FCV), 압축천연가스(CNG) 자동차 시장과 연동해 성장할 것으로 전망되고 있으며 FCV는 중국에서 트럭, 버스용 수요가 늘어나고 있다.
항공기용은 에어버스(Airbus) A350XWB, 보잉(Boeing) 787 등 탄소섬유 복합소재 투입비율이 50% 수준인 기체 생산이 확대되고 신형 엔진에 대한 채용이 늘어나면서 수요가 증가하고 있다.
중기적으로는 보잉797 등 싱글아일(Single Aisle) 기체, 리저널(Regional)/비즈니스(Business) 제트기 생산이 본격화되고, 장기적으로는 보잉 및 에어버스가 탄소섬유 사용량을 늘린 기체 생산을 시작함에 따라 시장이 더욱 확대될 것으로 예상된다.

자동차용 확대에 리사이클까지…
단섬유·장섬유 가공제품은 자동차 기어, 제조라인 베어링 등과 같은 슬라이딩부품, 자동차 프레임 부품 등에 투입되고 있으나 앞으로는 자율주행 자동차 보급에 따라 센싱 카메라, 전자파 차단부품에 채용될 것으로 파악되고 있다.
연속섬유 가공제품은 항공기용에 한정적으로 사용되고 있으나 2025-2030년에는 자동차 골격·구조부품용 수요가 기대되고 있다.
장기적으로는 가공 후 남은 조각을 리사이클한 CFRP· CFRTP 시장도 2030년 5605억엔(약 50억3200만달러)으로 5.6배 확대될 것으로 예상되고 있다.
가공 후 남은 조각을 이용한 CFRP·CFRTP는 자동차용 니즈가 높아 리사이클 기술 확립이 필수적인 것으로 파악되고 있으며 품질 안정화를 위한 기술개발이 진행되고 있다.
에어버스는 2020-2025년 제조공정에서 발생하는 CFRP 조각의 95%를 리사이클로 유통시키고 5%는 항공기부품으로 채용하겠다는 계획을 세우고 있어 2025년 이후 시장이 본격적으로 형성될 것으로 전망되고 있다.

도레이, 텐케이트 인수로 글로벌 장악력 강화
일본 도레이는 네덜란드의 탄소섬유 복합소재 생산기업인 텐케이트(TenCate Advanced Composites)를 인수함으로써 탄소섬유 사업영역을 확대하고 있다.
텐케이트는 열가소성 프리프레그(Prepreg) 최대 메이저로 항공기용으로 인증받은 복합소재 포트폴리오를 풍부하게 갖추고 있는 것으로 평가되고 있다. 단시간 성형에 적합한 열가소성 프리프레그는 항공기 생산 확대를 타고 수요가 급증하고 있다.
도레이는 열경화성 프리프레그 분야에서 강점을 보유하고 있으나 탄소섬유에서 수지 시스템까지 항공산업 전체를 망라할 수 있는 생산제품 및 기술을 갖추기 위해 TCAC를 인수한 것으로 파악되고 있다.
텐케이트는 2018년 매출이 2억1000만유로, EBITDA(감가상각 이전 영업이익)은 4700만유로 수준으로, 텐케이트 인수에 총 9억3000만유로(약 1조2500억원)를 투입했다.
도레이는 항공기 1차 구조재에 사용하는 에폭시(Epoxy)계에 강한 편이며 텐케이트 인수를 통해 포트폴리오를 더욱 확장할 수 있게 됐다.
항공기는 앞으로 중형 및 소형기 수요가 급증함으로써 생산대수가 월평균 15-20기에서 60-70기 수준으로 늘어날 것으로 예상되고 있다.
이에 따라 부품 양산화에 대한 요구도 확대되고 있으며 열경화성에 비해 생산효율이 뛰어난 열가소성 프리프레그 수요가 늘어날 것으로 예측된다.
텐케이트는 PEI(Polyether lmide), PPS(Polyphenylene Sulfide), PEKK(Polyether Ketone Ketone) 등 열가소성 수지를 사용한 복합소재로 항공기용 인증을 취득했으며 내장재, 소형부품 등을 중심으로 채용되고 있다.
텐케이트는 2025년 매출을 5억6000만유로로 확대하겠다는 목표를 세우고 있으며 항공기용 열가소성 프리프레그 매출도 2017년 5000만유로에서 2025년 2억5000만유로로 5배 확대할 계획이다.

레귤러토우·라지토우 글로벌 1위 유지
도레이는 헝가리에서 라지토우(Large Tow) 탄소섬유도 증설하고 있다.
2020년 상업가동을 목표로 생산능력을 1만톤에서 1만5000톤 이상으로 확대하며 약 137억엔(약 1400억원)을 투입하는 것으로 알려졌다.
라지토우는 산업용 수요가 급증하고 있으며, 특히 풍력발전 블레이드 용도는 유럽, 중국, 인디아, 중남미 등에서 급성장하고 있다.
도레이는 멕시코 공장 생산능력 확대도 추진하고 있으며 레귤러토우(Regular Tow)와 마찬가지로 라지토우도 세계 1위 지위를 유지하겠다는 목표를 세우고 있다.
라지토우는 미국 자회사 졸텍(Zoltek)을 통해 헝가리, 멕시코 공장을 가동하고 있으며, 멕시코 공장도 생산능력을 5000톤에서 1만톤으로 확대했다.
도레이는 2020년 헝가리 공장 증설을 마무리하면 라지토우 생산능력이 2만5000톤을 넘을 것으로 추정되고 있다.
탄소섬유 시장은 연평균 10% 이상 성장하고 있는 가운데 최근에는 라지토우가 성장세를 견인하고 있다. 라지토우는 2018년 20% 수준 성장한 것으로 파악되고 있다.
세계적으로 풍력발전 블레이드용 수요가 급증하고 있고 풍력발전기 대형화를 타고 사용량 역시 늘어나고 있다.

FCV 수소탱크에 CNG 탱크까지…
도레이는 고강도 탄소섬유로 연료전지자동차(FCV) 적용도 시도하고 있다.
도레이가 개발한 T720S 브랜드는 고강도 레귤러토우 PAN계 탄소섬유로 인성강도가 6GPa에 딜해 항공기용으로 투입할 수 있는 고기능제품 T800과 유사하며 탄성률 역시 27톤으로 범용제품 T700 및 T800 중간수준인 것으로 알려졌다.
기존의 T700 생산설비를 개선해 양산화함으로써 설비투자액을 절감했으며 앞으로 FCV 수소탱크 용도를 중심으로 제안을 확대할 계획이다.
탄소섬유는 인성강도가 높아 고압 환경에서 버텨야 하는 FCV 수소탱크 용도로 채용이 확산되고 있으며, 도레이 역시 도요타자동차(Toyota Motor)의 미라이(Mirai)에 2010년부터 탄소섬유를 공급하고 있다.
앞으로는 해외 자동차 메이저들도 2020년까지 FCV 생산을 확대할 것으로 기대하고 글로벌 생산체제를 확충하고 있다.
FCV 수소탱크 외에 고강도 메리트를 살릴 수 있는 새로운 용도도 개척하고 있다.
주로 CNG(압축천연가스) 탱크, 송전선 심재 등 기존에도 산업용 탄소섬유를 사용하던 용도의 고부가가치화 니즈에 대응할 방침이다.
송전선은 산업용 탄소섬유의 핵심시장 가운데 하나이며 T720S를 적용함으로써 철탑의 간격을 넓혀 설치하거나 심재를 얇게 제조해 1개당 송전량을 늘리거나 더 많은 전선을 연결할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 중국이 중심이지만 중남미, 아프리카에서도 인프라 투자 코스트를 절감할 수 있어 수요가 늘어나고 있다.
CNG 탱크 역시 고부가가치 그레이드로 전환하면 탄소섬유 투입량을 줄일 수 있어 생산성 향상 측면을 강조하며 마케팅하고 있다.
국내에서는 2018년 구미공장의 기존 설비를 개선해 생산체제를 고도화했다.
도레이첨단소재는 구미에 탄소섬유 소성설비 2개 라인을 가동하고 있으며 T700 그레이드를 중심으로 생산하고 있는 가운데 고강도 타입 T720S 양산화도 추진하고 있다.

효성첨단소재, 탄소섬유 4000톤으로 증설
국내에서는 효성첨단소재가 탄소섬유를 생산하고 있으며 468억원을 투자해 전주공장 증설을 추진하고 있다.
효성첨단소재는 전주공장에 신규라인을 추가해 생산능력을 2000톤에서 4000톤으로 100% 증설하며 2020년 완공 예정이다.
미래 친환경 자동차로 주목받고 있는 수소자동차·압축천연가스(CNG) 수요 증가 및 전선 심재의 경량화에 따라 핵심소재인 탄소섬유 수요 호조에 대비하기 위한 것이다.
탄소섬유는 수소자동차의 핵심 부품인 수소연료탱크와 CNG 고압용기 제조에 투입하고 있다.
효성첨단소재는 2030년까지 수소연료탱크 수요가 120배, CNG 고압용기 수요 역시 4배 이상 증가할 것으로 예상하고 있다.
효성은 2007년 탄소섬유 개발에 뛰어든 이후 2011년 국내 최초로 자체 개발에 성공한 고성능 탄소섬유 브랜드 탄섬(TANSOME)을 출시한 바 있으며, 2013년 5월부터 전주 친환경복합산업단지에서 탄소섬유 공장을 가동하고 있다.
한편, 효성은 아람코(Saudi Aramco)와 탄소섬유 공장을 합작 건설하기로 합의했다.
효성은 조현준 회장이 아민 나세르 아람코 CEO(최고경영자)와 탄소섬유 공장 건설 검토를 위한 MOU(양해각서)를 6월 체결했다.
효성이 개발한 폴리케톤(Polyketone) 등 화학분야, ESS(Energy Storage System), 송·배전 그리드 등 전력분야에서도 상호협력을 강화할 계획이다. ▶ 다음호에 계속